La lunghezza d’onda magica del cadmio

È stata recentemente scoperta una nuova proprietà del cadmio: la lunghezza d’onda magica. Una sua applicazione potrebbe essere l’orologio più preciso di sempre.

La lunghezza d'onda magica del cadmio

I ricercatori hanno trovato sperimentalmente una proprietà fino ad oggi sconosciuta del cadmio, chiamata lunghezza d’onda magica.

Potrebbe aprire la porta allo sviluppo degli orologi più accurati mai costruiti, orologi atomici semplici e robusti da consentire di migliorare la nostra comprensione delle teorie attuali della fisica. Ma, forse, anche di fare passi in avanti verso una nuova fisica.

Il tempo non si muove ovunque con la stessa velocità

Dai tempi di Einstein sappiamo che il tempo si muove a ritmi diversi a seconda di dove ci si trovi. Ciò è dovuto all’effetto della gravità: maggiore è la gravità e più il tempo rallenta rispetto a dove la gravità è più debole. Per un essere umano questa differenza è impercettibile, ma gli orologi atomici di alta precisione possono misurarla.

Queste impercettibili differenze nella velocità del passare del tempo sono tutt’altro che banali. Misurazioni accurate del tempo possono aiutare a misurare altre quantità corrispondenti che riguardano il modo in cui il tempo scorre in una posizione specifica. Ad esempio, dato il modo in cui una maggiore forza gravitazionale altera il passare del tempo, la densità del materiale sotto i piedi potrebbe essere misurata con precisione con un orologio sufficientemente accurato. E questo tipo di informazione potrebbe essere utile per coloro che studiano i vulcani, la tettonica a placche e i terremoti.

Una precisione da 19 decimali

Tuttavia, misurare il tempo con la precisione richiesta per tali scopi è una sfida immensamente complessa. Gli orologi atomici più all’avanguardia, basati sulla vibrazione di atomi come il cesio, funzionano con un’incertezza nella regione di 1×10-16 (zero vergola seguito da 16 decimali). Ciò è estremamente preciso per la misurazione della distanza e viene quindi utilizzato nell’attuale tecnologia del sistema di posizionamento globale (GPS).

Ma i ricercatori necessitano di una precisione ancora maggiore, in modo da arrivare all’incertezza a partire da 1×10-19. L’orologio a reticolo ottico promette di offrire tale precisione.

L’dea è del professore Hidetoshi Katori e si tratta di intrappolare un gran numero di atomi in un reticolo di laser. Con molti atomi intrappolati le loro vibrazioni possono essere misurate simultaneamente, il che migliora notevolmente l’accuratezza della misurazione del tempo. Per questo scopo, gli isotopi del cadmio sono ideali, in quanto hanno alcune proprietà che aiutano a ridurre il rumore in questo tipo di sistema quantistico. Ma per creare un orologio così fatto ci sono molti ostacoli da superare e i ricercatori, il cui studio è stato pubblicato su Physical Review Letters, ne hanno appena superato uno.

Hanno cioè determinato sperimentalmente la cosiddetta lunghezza d’onda magica del cadmio, che è uno dei parametri essenziali per il funzionamento dell’orologio a reticolo ottico. Inoltre, gli isotopi di cadmio sono più robusti per sopportare variazioni ambientali rispetto a molti altri atomi e isotopi.

Adesso, i ricercatori dovranno valutare le prestazioni di un tale orologio. Dopodiché sarà possibile studiare e sfidare idee consolidate in cosmologia, come la relatività generale e forse anche le costanti fondamentali della natura.

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